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暗物质：宇宙的魔术师（下）
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Do curso por Nanjing University
天文探秘
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暗物质
本章节主要介绍宇宙中一类特殊的物质——暗物质，作为一种重要却又无比神秘的东西，人们对它充满了兴趣。本章介绍它的发现、研究和寻找工作。
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那关键还是回到刚才这个，讲了暗物质对我们的作用就是关键还有一个关键，暗物质这东西到- 底是什么？
我来给大家说一个很有意思的现象，叫做超对称。
什么意思呢？就是超对称的目的啊，是为了统一四种基本作用力，
这我们后面会说，还有一个预言，超对称有一个预言，这个预言是什么？每一种普通的粒子，- 就是我们现在看到的质子中子
都有一个伙伴粒子，这个伙伴粒子是目前还没有探测到的，同时呢又质量很大 所以这个东西呢，就是暗物质粒子的预言。
那么到底什么是超对称呢？我给大家 简单地介绍一下在后面。
这个粒子叫什么？叫弱 相互作用大质量粒子。
哇，中文很长啊，翻译，其实叫WIMP WIMP就是这刚才，首先它有第一点，它有质量
为什么能提供引力嘛，必须要有质量，对吧？第二个能参与弱相互作用。
弱相互作用是什么呢？就是β衰变哪， 核子散射呀，这样的一个作用。
第三个很重要的，不参与电磁作用。
刚才我们就说啦，两个星星咱们碰撞的时候 你说还有三个星星要碰撞，
怎么解释啊？当然，我们一般认为它不参与电 磁相互作用，有电磁相互作用说不定就能发光啦，我们就能看见啦。
所以这样的 这个时候，最有人气的候选者是什么呢？叫"中性微子"
它和普通物质之间只有引力相互作用，不发出任何的辐射，也不吸收任何辐射 但是它可以和普通粒子有引力作用之外，还有很弱的
这个很微小的弱相互作用，或者散射一下就有，就告诉我们怎么去找它。
这个回到刚才那个超对称，我觉得超对称是值得给大家说一说，因为大家现在信息量都很大，
好多的这个新的术语，大家都特别热衷，什么膜宇宙啊、 弦理论啊、
超对称那这些，经常都能耳熟能详对吧？ 这个，大学还没毕业呢，这玩意儿就经常跃然纸上了，这个，写论文的时候就经常有
这个我来稍微啰嗦两句超对称和这个弦理论 跟这多多少少有点关系。
这个大自然我们目前知道有四种 基本的相互作用力。
引力，就是这边左上角那个 然后呢，强力，强力是什么呢？就是原子核之间的作用
这个大家知道，原子核中间是质子和中子 当然，质子带正电，中子不带电。
但是为什么在这么小的一个空间里能 把同性带电粒子能束缚在一起呢？就是强相互作用力的作用，否则的话原子核都散开了。
然后呢，下边是弱相互作用，就是右下角那个弱相互作用，β衰变啊这些东西。
然后再左边呢是 这个电磁相互作用，就四种。
目前人类所知道啊只有这四种相互作用力，基本上都这样。
像我能站在这边，一方面是引力的作用，一方面是说跟这个地板的支撑有关系，这就是电磁力 跟电磁力也有关。
这个啊，目前那描述这四种力的话 有两套理论体系，第一套呢，叫广义相对论，描述引力 所以目前我就知道。
第二号呢，叫量子力学，描述后三种，弱、 强和电磁力。
这个这样的一个体系，但是呢，这两套体系不相容
什么意思呢？物理学家总是希望说这个把四种基本相互作用力融合到一起
就是一个整体，纳入一个，唯一的一个框架下面。
这四种作用力呢，其实在最早期是同一种，所以我可以在同一个框架下来描述它们
这个弱和电那，就是弱相互作用力和电磁相互作用力已经有这样的一个框架了 然后呢，把强相互作用力放进去呢，大统一理论
就是把后面这三者啊，弱、 电和强放一起，就是大统一。
然后呢，如果你能把引力也放进去呢，那恭喜你，你就拿到了物理学中的圣杯 就是Theory of
Everything 这个不知道怎么翻译好，叫万物之理呢还是叫终极理论那，都行
就是说物理学家的终极的诉求，就是想把 这四种基本作用力纳入同一个框架。
爱因斯坦在生前 一直在尝试把引力和电磁力纳入同一个框架。
哎，他没有成，他没有成功，他没有成功。
这个 事实上，事实上我们目前普遍相信
在宇宙的极早期，就是就是从，从右边往左啊，就是大爆炸开始
然后四种相互作用力开始逐步地分开 这个分解，首先分离出来的是引力，就这条线。
四种相互作用力先分离啊，引力先分离出来。
然后呢，这个，这个大统一，这边是大统一，所有的另外三种
量微观的力统一在一起，然后开始分开，分成强作用力、 弱作用力和电磁作用力。
这个我们目前对于这个微观作用力的描述呢，叫做标准模型，就是这个 标准模型。
标准模型那有一个被人诟病的地方，什么呢？
标准模型里面呢有好多的，几十个常数， 或者说几十个常量。
问题是呢，你说这些量为什么会取现在的这个数值？ 或者说，为什么宇宙会是我们现在看到的这个样子？
就是一个精挑问题，就是说你有很，其实你有很，你你如果是上帝的话 你有很多种选择对吧？但是为什么你要把这个宇宙，现在这个宇宙
制造成这个样子？这个取，这个常数为什么要这么取？ 所以这是目前所遇到的一个对标准模型来说的一个问题
啊，那怎么办呢？怎么解决呢？或者说怎么把这东西，把这三四种作用力往前推，能让把它们- 都合在一起呢？
首先第一点，很时髦的理论，弦理论。
大家都知道啊，这个多多少少，《宇宙的琴弦》这本书大家都看过对吧？
这个，宇宙的琴弦或者弦理论怎么说呢？原来在标准模型里面，粒子就是一个点 它没有大小，是个几何点。
这个时候会有一个麻烦，当你把半径趋向于0的时候，你整个理论框架就 发散了，对吧？不收敛了。
但是弦理论呢，把每个粒子描述成了一个振动的弦 就是这样的，振动的弦。
这个弦呢，可以是断开的，就是两头是开放的，也可以是回笼的 还要可以有振动。
这个时候，当不同的粒子发生相互作用的时候呢，就是从两个弦比如说碰撞、 合并，变成一个弦或者再分开 这样的一个一个构造。
但是弦理论，从上个世纪大概六七十年代开始兴起，
八九十年代开始繁盛到现在，踊跃了很多的数学家这个物理学家啊，来做这样的工作。
但是弦理论有个最最大的问题，目前没有一个实验能证明它是对的。
这是很糟糕，这是尽管理论上很漂亮，但是这是一个从科学上来讲
那样因为它预言的能标非常高，出现这样的现象的话 这个很难来做实验。
目前的人类的大型强子对撞机 测不到任何弦理论的预言啊，就算它有的话也测不到，所以这是很麻烦的一件事情
这个可能跟，这是科学家忙了一辈子，你说这理论 没人去检验，或者说根本目前的手段测不到，这是个很痛苦的事情。
还有一个 超对称。
超对称是我刚才讲了，每一种粒子都有一种伙伴粒子，这个时候你会发现，欸，你很容易- 呢就能把
这个引力和其他的相互作用力融合在一起，超对称，有了它的话会很容易。
当你把这个事情做的时候，而且超对称还有个什么优点啊？ 它预言了很多粒子啊，对吧？每一种我们知道的粒子，都有一个伙伴粒子。
这个时候，它其中有一个粒子就叫做"中性微子"，就在这儿，"neutralino" 就是这个。
这个粒子可以充当我们的暗物质， 这个所以这个超对称一石二鸟。
第一个，它解决了引力和其他的力的这个相互作用的 这个融合的问题。
第二个，它给我们提供了暗物质。
但是 这个和这个弦理论相比起来
弦理论是没有实验能够证明它是对的还是错的 这个超对称的麻烦是，实验能证明它是错的
（笑声）当然，这句话不完全啊。
其实是指实验能证明 最最简单的超对称模型是错的。
为什么呢？超对称模型预言，有一种叫B介子，B meson
B介子在超对称的框架下，它衰变的时标啊，或者半衰期也好
会比在标准模型下面，就是没有超对称的时候， 快得多的多 快得多。
但是呢，这个实，这个实验呢，是可以做的。
用什么做呢？大型强子对撞机 大型强子对撞机可以去做。
大型强子对撞机在几万次的，几万亿次的观测里面呢 没有看出看到任何跟这个有关的现象，就是标准模型还是对的。
所以超对称在这一站里面，这个出现了很严重的问题 当然超对，大型强子对撞机在去年年初已经关闭了，
当时它运行的是七万亿个电子伏特，马上要到一五年 可能是一五年还是一六年，它要重新开始，要到更高的十三个
这个，吉电子伏的伏特上来运行。
这个时候 是对这个，啊，超对称最大的 检验。
为什么呢？这个时候，如果在这个时候，在目前的之前的大型强子对撞机所运转的能标下面，说 B介子的衰变、
时标有问题的话，那到那个时候，按照超对称理论的预言
至少它能发现好几十几种，甚至几十种的超对称粒子，都应该在那个大型强子对撞机所运转的- 能标下面
会被发现，如果说最简单的超对称是对的话。
所以那个时候会对它是一个非常大的 考验。
而且更有一点，更重要的一点是 这个暗物质，
暗物质，我后面会告诉你们为什么这个东西对我们的考验非常大。
这个是关于这个，呃，统力统 一之间的更大一个问题，就是最近非常热，叫黑洞火墙问题。
大家都听说过吧，黑洞火墙问题？就是说如果你承认广义相对论 你承认等效原理，广义相对论基础等效原理
这个，一个宇航员进到黑洞里面和在外面其实没什么区别。
我们甭看，那当然你得经受住潮汐力啊。
但是量子力学告诉我们，如果你承认信息不灭 在黑洞内会形成一个火墙啊，你进去之后立马会被烧死
这个时候啊，你要么认为广义相对论是对的 你要么认为量子力学是对的，这个时候你都不可能两个东西同时对
所以这个时候你需要作出选择，这是一个更糟糕的问题，所以黑洞火墙问题，就是现在 哎，很多人都在讨论的一个一个问题，最前沿的一个问题。
所以这个是目前 这个难点怎么把这四种作用力相统一起来。
但是我们现在假如 假如这个超对称是正确的，它预言了中性微子，或者那个WIMP，我们怎么来探测它？
事实上，我们现在有很多的实验来探测WIMP 我们花了很多的钱和精力来探测WIMP，所以为什么说万一
两年之后，三年之后我们证明这个超对称是错的
万一啊，我们现在花那么多钱怎么办？花那么多精力怎么办？你们要知道一点，你们要知道一点 在Michelson
Morley实验之前，世界上有很多的科学家， 不乏青年才俊的科学家，在研究一样东西 那叫以太。
真的！好多人花了好长时间 在就就做这个东西。
可能花了十几年二十几年在做这个以太 最后这一实验证明这玩意儿不存在。
（笑声）你说你有几个十年二十年？
对吧？这个所以有时候要在你选择一个行业的时候，在选择一个研究方向的时候 要小心点。
有的时候就跟"烧单反，毁一生，毁三代"似的同样的一个道理
这个主意，啊咳。
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